[发明专利]一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法，针对球头铣削自由曲面淬硬钢模具时，由于形面加工特征多变造成的球头铣削过程分析复杂以及加工误差分布不均的问题，提出了自由曲面淬硬钢模具不同加工区域特征的过程集成优化加工方法。

背景技术

自由曲面因其具有特殊的功能特性及美观性和艺术性，越来越受到汽车制造业企业的青睐。汽车覆盖件模具的设计和加工生产是汽车制造中的重要环节，因其自由曲面模具形面设计复杂、自由曲面多变，导致模具制造周期长，严重制约了汽车的制造周期，增加了生产制造成本。

随着数控技术、高速切削技术及硬切削技术的发展，利用球头铣削技术可以满足曲面模具在精加工中对于尺寸、位置精度和加工表面质量的高要求，降低了磨削或抛光的时间，缩短了生产周期。目前，我国汽车覆盖件模具发展现状是汽车模具占全国模具产业三分之一的份额，与发达国家往往占一多半的份额相比，还有很大发展空间。同时，在模具设计、制造水平，生产效率，加工标准及管理等方面与发达国家相比仍存在较大差距，国内急需开发高档汽车覆盖件模具加工工艺技术，并提高刀具使用寿命和切削效率。

发明内容

针对球头铣削自由曲面淬硬钢模具时，由于形面加工特征多变造成的球头铣削过程分析复杂以及加工误差分布不均的问题，提出了自由曲面淬硬钢模具不同加工区域特征的过程集成优化加工方法。旨在提高自由曲面淬硬钢模具球头铣削过程的稳定性，保证加工精度的一致性。

本发明的自由曲面球头铣削淬硬钢模具过程集成优化方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤:

第一步、针对曲率过大区域，建立刀工接触区一致的让刀误差轨迹补偿方法：

刀工接触区域准确反映了刀具的加工状态，控制沿补偿刀具轨迹切削中刀具的径向切入角φ_st和切出角φ_ex，轴向切触角的上下边界θ_up和θ_low，都与名义的刀具轨迹切削时一致，进而保证加工形貌及法向轮廓误差符合要求，如图1所示。△θ(φ) 为沿名义刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ₁为刀具变形引起的实际刀具轨迹与名义刀具轨迹的偏移量，△θ₁(φ₁)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）；δ₂为补偿刀具轨迹与补偿刀具变形误差后的实际刀具轨迹的偏移量，△θ₂(φ₂)为沿实际刀具轨迹切削时的轴向切触角（径向切触角）。

刀位轨迹的偏置量等于刀具变形量，针对曲面加工位置，刀位轨迹偏置方向为过刀轴的法平面和垂直刀轴的水平面的交线方向，补偿的工艺路径容易实现；采用让刀变形补偿的方法，通过控制面修正对让刀误差进行补偿，如图2所示；

曲面的让刀误差补偿流程如图3所示，补偿的方法是基于微分离散的思想，对刀具轨迹的不同刀位点计算所需的过程参数，如加工倾角、形面曲率、刀工切触区、切削力、刀具变形模型、变时滞动力学模型等；基于预测的刀具轨迹偏置量，计算补偿后的刀具轨迹，获得新的刀工接触区，与名义刀具轨迹计算的刀工接触进行比较，如果一致则轨迹偏置量符合误差补偿要求，否则重新计算偏置量。

第二步、针对曲面曲率突变区域，给出了基于弦高误差控制的插补步长优化方法。

在自由曲面曲率突变区域，让刀误差不是加工形面精度下降的主要原因，刀具轨迹成为加工误差的产生的主要原因，此时需要对刀具轨迹进行插补；由弦高误差公式可知，保证相同的误差，随着曲率的增加，插补步长越短，因此，弦高误差补偿针对曲面曲率区域，若此位置弦高误差满足要求，则其他位置一定满足设计要求。通过对曲面曲率的分析，获得曲面曲率的分布，然后基于公式解算补偿；

直线插补是通过大量微小的线段来逼近目标曲线，然后再对各线段进行密化，如图4所示，加工曲线段DH由线段DE、EF、FG、GH拟合构成；

设目标曲线参数方程为：（1）；